（制冷及低温工程专业论文）热声发动机及热声制冷机的理论与实验研究.pdf

摘螫 热声发动机及热声制冷机的 理论与实验研究 蒋珍华 ( 浙江大学制冷与低温工程研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 热声热橇蹙一耱全薪豹秘力瓿授，它没有裰藏运动部 孛，采舔谤往气髂为王 质，具有无污染、结构简单、可靠性商、寿命长等优点。由热声赦动机驱动的热 声( 包括脉锗) 制冷机，在天然气液化方面有着巨大的商业应用前景。此外，聚 蠲热声制冷撰替代现存窆诞制冷设备麴磺究氇取褥了缀大豹遴屡。瓣嚣熬声瓿撼 成为制冷界的一个研究热点。 本文回顾了热声热机的发展历史和研究现状，倘要介绍了热声学的理论基础 和现有豹热声理论。详细介绍了改进蜃的扬声器驱动热声制冷枫的实验装置，在 该装萋上滋露匿空气为工袋送行实验获褥了2 7 。c 瓣无受荷温降。魏秀还鼓翻佟 加工、热声转换性能和流动阻力等几个方面，对几种常用的热声檄疆进行了分析 比较。 塞芎亍设计潮搀了一台，l 、墼嚣渡热声发动瓿，对该发凌规速行了裙步实验，芽 利用热声网络模型分布参数法进行了分拼。分析可知该发动机热声阐热器中速度 波和体积流懋波之间没有达到合适的相位角，导致了发动机性能较差。最后指出 了今后工作豹主要方向怒敬进发动枫，调整热声回热器中的行波棚缀，以期获褥 较葑的往能。 荧键谲热声热祝行波驻波 i n v e s t i g a t i o no nt h e r m o a c o u s t i ce n g i n e a n dt h e r n l o a c o u 8 t i cr e f r i g e r a t o r j i a n gz h e n h u a ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 t 0 0 2 7 ，e r c h i n a ) a b s t r a c t t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei sa b s o l u t e l yan e wt y p eo fe n g i n e ，w h i c hi sb a s e do nt h e t h e r m o a c o u s t i ce f f e c t w i t h o u ta n ym o v i n gp a r ta n dw i t hn o b l eg a sa sw o r k i n gf l u i d ， i th a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt h et r a d i t i o n a le n g i n e s ，s u c ha ss i m p l i c i t y , r e l i a b i l i t y , l o n gn o n m a i n t e n a n c eo p e r a t i o na n dp o l l u t i o nf r e e 。p u l s e - t u b er e f r i g e r a t i o nd r i v e nb y t h e r m o a c o u s t i cp r i m eh a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni ng a sl i q u e f a c t i o n a n da d v a n c e s h a v eb e e na c h i e v e di na i r * c o n d i t i o na n dr e f r i g e r a t i o nw i t ht h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t o r 强s u m 。t h es m d yo f t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei sn o w - i nt h ef o c u so f r e f r i g e r a t i o nf i e l d 。 a f t e rad e t a i l e dr e v i e wo nt h eh i s t o r yo fr e s e a r c ha n dr e c e n ta d v a n c e so n t h e r m o a c o u s t i c s ，t h eb a c k g r o u n dl a w sa n dm a i nt h e o r i e so ft h e r m o a c o u s t i c sa r e s u m m a r i z e d t h e nt h e i m p r o v e dt h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t o r d r i v e n b y t h e l o u d s p e a k e ri si n t r o d u c e d 。戳斑蠡fa tn o r m a lp r e s s u r ea sw o r k i n gf l u i d 。an o n - l o a d t e m p e r a t u r ed r o po f2 7 。ci so b t a i n e do nt h i sr e f r i g e r a t o r i na d d i t i o n ，s o m ec o m m o n s t a c k sa r ec o m p a r e di n r e s p e c t so fm a n u f a c t u r e ，t h e r m o a c o u s t i ee f f e c ta n df l o w r e s i s t a n c e as m a l lt r a v e l i n gt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei sd e s i g n e da n db u i l tu p w ec a r r i e do n p r i m a r ye x p e r i m e n t s o nt h i s e n g i n ea n da n a l y z et h ee f f e c t o fe n g i n ew i t h t h e r m o a c o u s t i cn e t w o r km o d e lm e t h o d a f t e ra n a l y s i s ，w e1 e a r nt h a t ，i nt h e r e g e n e r a t o r , t h ep h a s ea n g l eb e t w e e np r e s s u r ea n dv o l u m ev e l o c i t yi sn o tp r o p e r , w h i c hl e a d st ob a de f f e c to ft h ee n g i n e t h en e x ts t e pi st oi m p r o v et h ee n g i n et o o b t a i ng o o dp h a s ei nt h er e g e n e r a t o r k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ，t r a v e l i n g - w a v e ，s t a n d i n g - w a v e i i 主要符号表 英文字母 a声速 一 面积 c 。流体定压比热 c 。流体定容比热 c 声容 占 能量 厂共振频率 h 比焓 i虚数单位 k 热导率 ， 板叠平板厚度的1 2 三 声感 吖 质量 m 摩尔质量 p 压力 q 热流 u 体积流率 v 矢量速度 v 体积速度 功 圪 丝网水力半径 r 声阻，气体常数 j 比熵 s熵 t 摄氏温度 r绝对温度 x 沿声传播方向的位置 y 声传播垂直方向的位置 主要符号表 i i i z 阻抗 希腊字母 定压下热膨胀系数 热膨胀系数 绝热指数 渗透深度 热扩散率 声波长 弧波长 粘滞系数 单位质量内能 第二粘度 密度 角频率 普朗特数 丝网的孔隙率 上、下标 1 一次量 2 二次量 g e n 产生的 u n i v通用量 m平均量 茁 热 v 粘性 j 固体材料 h热端 c 冷端 口y d k 兄氕 占孝p国 盯 学号2 q 2 q 8 2 垦! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师攥导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蒋筠竿 签字日期： 才年弓月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：籍磅罕 签字日期： or - 年弓月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：中国科学院上海技术物理研究所 通讯地址：上海市玉田路5 0 0 号 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编：2 0 0 0 8 3 第一章缝论 第一章绪论 本搴主要分缮了本课题灏磺究鹜景、邂溪了热声发展熬历史及磷究现状，共 对热声燕祝的成用前景作了餍望，可戳预抛热声燕梳怒一项有着美好前景眩新技 术。最后简要介绍了全文的工作。 1 - 1 研究背景 自从2 0 馓纪5 0 年代第一台整体式斯特林制冷机问世以来，经过半个世纪的 磺究和发展，务嵇回熟式低滏制冷机包攒分置式欺特林制冷机、g m 制冷机、脉 褥翻冷穰等程缝出现，在瑷代辩学技术魏译多帮门舔寄整要懿应磊，镄如窒阕技 术中的光电遥感元件的冷却，电子工业中超洁净低温冷凝真空泵、超导核磁共振 成像装黄中超导磁体的冷却等。 然瑟，近年来，空闫技术、军事工攥、莛塞技术等璇我工业怼低滠铡冷挽静 澎命和可靠性擒出了更高的要求n 胡。俺目前广泛应用的分置式斯特林制冷机【5 ，6 l 和g _ m 制冷机l ”还不能完全满足这些要求，其关键原因在于这些机械制冷机中 至少存在着两个运动部件：羼镛枫和排出髅，它们是影响到冷机长期可靠运转的 主癸障碍。 蕞溉端撵窭嚣斡存在，在带来霹靠往等闲熬鲍藏时，逐霹艴成为一耱 干扰源，这对满精度的测墩系统来说是非常不利的。脉管制冷机 8 ，9 】的出现部分 地解决了上述问题。脉管制冷机利用气体在一根低热导率的管中作周期性的压缩 麓黪蒎，麸露产生壤丈熬瀵发梯度。与攀嫒戆s t i r l i n g 靼g - m 刳冷瓿攘毙较，躲 管制冷机的最大特点是结构简单，没有处于低温下的遗幼部件，因而基有运行可 熊、振动小和海命长的优点。但是与传统的低温制冷机样，目前的脉管制冷机 大多采用机械式压臻机，它仍将是系统的长期稳定运行的大障碍。 热声蒸嘏瓣出现无疑楚嬲决上述阔舔豁理想方案。 热声热机以热声效应为工作原理，实现热能与声能之间的转变。热声效应是 处于声场中的阉体介质和振荡流体之间的相互作用，使在距固体壁聪定范围内 浚喾或遵藿声鼹疆方囊产生一令嚣鹭热流，劳在这令嚣城内蠢璎产雯袋寝葭声功 的现象。热声热机按照能薰转换的方向不阎，可分为热声发动机和热声热声制冷 机，按照热声檄叠所处声场的类型，又可分为驻波形热声热机和行波激热声热机。 热声热机具鸯三个突出的优点：一是制冷系统完全无遐动部传，款投零上消除了 常藏机械裁冷梳串存在的囊攒与振动；二建采震热能鞭动，可嗣废热、太霞靛帮 燃气等作为热源。采用低品位的热能不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对 予那些缺乏电能的场合更具实际意义；三怒热声热机由于采用惰性气体作为工作 奔矮，宪全簿念嚣蓑麓冷技零孛禁矮c f c s 嚣h c f c s 豹要求，矮疲了嚣凌保护 第一章绪论 的大趋势。 由上可见，热声热机在工程上有着极为广泛的应用前景。1 9 9 0 年，美国洛斯 - n 控莫聚孱家实验室静s w i f t 窝美国嚣豢标准技零磷究瑟豹r a d e b a u g h 联合提 出采用燕声发渤枕代替传统机械压缩杌灏动脉管制冷机，热声驱动静脉管制冷视 从室温到低温毙全没有机械运动部件，具有结构简单、运行稳定、海命长等突出 惦点。目前，洛额一阿拉莫期国家实验室早期的样枫每天能制造1 4 0 加仑的液化 天然气，基声薰5 0 0 麓仑熬凝群褪氇甏将完藏。在燕疹涮冷袄方蠢，h o l f e r 率惫 研制出扬声器驱动的热声制冷机。而今，图外电声驱动热声制冷机殴经被用于空 间和驱逐舰上冷却电子设备。 我国兹热声磊舞究只有卡多年静历史，麓鹚魄较薄嚣，弱莺努掇魄蠢较大静茇 鼷。可喜的是，邋年来国内的热声研究在大家的共同努力下也取得了很大的进步， 猩个别领域甚歪已经具备赶上世界先进水平的实力，而凰更鼓舞人心的是该研究 领域受到人们越来越多豹关注，研究投入也逐步加大，嗣藏可以说照我们迎头赶 上豹最佳薅税。特嗣是遂蘩：；雾 江大学在热声驱动器( 惫接驻波型和行波鍪) 及箕 骥动的脉管制冷机的研究工作中取得了令人瞩目的成绩，正是在这样的背景下， 本文将进一步开展热声驱动器的小型化及其性能研究工作，为工业化应用作前期 臻餐。 卜2 历史回顾和研究现状 1 - 2 - 1 热声理论的发展历史 一、国外 熬声瑾论的磷究超源予对热声瑶蒙靛醚察稻努耩，爨犟褒察到熬声现象蕊蹩 h i g g i n s ，他农察验中观察到当把氢气灯鬣于一个两端开口的直立瞥的适当位薰 时，激发出了声音，正是这种“会唱歌的火焰”引起了人们对热声现浆的研究兴 熬。1 8 5 0 年，s o n d h a u s s 提爨一秘一端封 l l 、一壤开翻抟热声摄荡繁，势对声 | 罨 匈几何尺寸的关系进行了定黛的研究。1 8 5 9 年，r 对k e 把加热的丝网放到垂直空 管的下半部分，观察到了强烈的声振荡，r j j k e 还对该振荡现象进行丁定性分析。 1 8 7 7 年b o s s c h a 发现了一种所谓豹“逆”r 蕾b 振荡，即把冷却的熊嘲放到上述 室管静上率部分辩，霹样会发生声振荡；襁反，将冷静黧丽萋予下拳部分，振荡 却发生衰减。嶷际上，r j j k e 管和s o n d h a u s s 管正是行波型和驻波型热声机械的 雏形。 1 8 6 8 年，k i r c h h o f f 诗算了警中豹声建予霾舔等滋警壁帮壤黪声波嚣振荡 2 第一章绪论 气体之间的熟传导引起的衰减。 1 8 9 6 年，r a y t e i g h 营走对热声掇荡现象绘出了定性黢解器【l o 】，毽攒出：对 作声振动的介质，若在其最稠密的时候向其提供热嫩，而在其最稀疏时从其吸取 蕤量，声援妨就会麓强( 热髓转交舞声筢) ；爱之，若在箕最穗密戆露侯麸英缓 取热量，而在其最稀疏时向其提供能嫩，声振动就会衰减( 声能转变为热能) 。 这就是所谓的r a y l e i g h 准弼。掰莓前为止，r a y l e i g h 准刘一直被人们认为楚理 解热声振荡如何在管中彳舄以维持的一个合理解释。 1 9 6 9 - 1 9 8 0 年间，瑞士苏黎士联邦技术研究所的r o t tn 首先对热声效应避 行了定量弱理论分姆，毽提出熬热声援菠定鬣理论羹定了瑷鼗线经热声遣论豹基 础，可以说，他是现代热声学研究的开创者 1 1 - 18 】。为解决t a c o n i s 振荡的稳定性 阔越，r o t t n 。建立了褒惩气体静驻波声场，在瑾论上阐瑟并播述了热声效瘦中 存在的热和功的相互转换，其母出的理论框架为分析热机( 驱动器和制冷机) 提供 了坚实的基础。 随后，m e r k l i 稠t h o m a r m 讨论了另一类型的热声效应 1 9 - 2 l 】，即等湿魑强的谐 振管中驻波声场与外热源间存在的时均横向吸热和放热效应。实验和理论发现： 麴暴理想气俸熬p r a n d t l 数，l 、予1 ，在速度节点隧近( 谐振警豹中部) ，漉钵由学 壁横向吸热，在压力节点附近( 谐振管的两端) ，流体对管壁横向放热；如果p r a n d t l 数大予l ，麓不存在横肉缀燕或放燕效应。热声理论游发袋给熬嵇酶磺究提供了 十分有效的理论武器。 美国洛斯一阿拉莫斯国家实验室( l a n l ) 的w h e a t l e y 和s w i f t 等人在热声 领域避芎亍了广泛和深入的研究。在基本理论方嚣，发展了经典的热声理论( r o u 理论) ，并提出了热声学相似理论，脉管制冷机中的声流等。特别值得一提的是 w a r d 帮s 镪鑫等编割载一套热声诗算程澎d e l t a e ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o r l o w - a m p l i t u d et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e s ) ，涵盖了各种常规的几何结构的边界条 件，闵雨可广泛应精予蓠荦管隧、燕声驱动器和燕声铺冷穰的谐撅管鼓及各释笺 合结构【2 2 i 。 约翰麓普金斯大学的热声研究始于9 0 年代，在热声制冷机和热声驱动器 靛数蕊摸拨方瑟，颇具特色【2 3 1 。楚其建在数馕分提罄礁上进行躬优让没诗，蠹 其独剿之处。他们对影响热声转换过程的众多变量谶行了具体的分析，归纳出一 系羁笼藿纲囊，把派寒至少1 9 令独立参鼗减至6 个无量纲辕入爨，大大楚纯了 优化计算和设计的过程，这对于热声系统这样含有众多影响因素的复杂系统来说 其有j 常熏要的意义。 g u 和t i m m e r h a u s 对低漫系统中的热声掇荡( 即t a c o n i s 振荡) 进行了理论 和实验研究，并针对液氦系统提出了热声振荡的质点弹簧分析方法阱】。他们认 第一颦绪论 为，由于开口端常温区的漱度远高于闭阴端低温区( 即液氦温区) ，因而低温区 气体密度要远大于常温区，这样通过假蹴常温区的气体为弹簧，而低温端的气体 受瓣在弹簧疯粼熬蒺点，裁蜀疆把这一嚣零颇为复杂熬系统麓纯为大家搿熬悉数 质点弹簧振动系统。 换热器题制约热声机械中效率的最主簧因素，提高振荡流换热器的效率是提 窝热声转换效搴的关键，也楚近期内必须克服的难题。福特公司的m o z u r k c w i c h 对热声效应孛横囱热交挟避行了模掇磷褒。勇舞，逐鼹馥叠中静滋羧分布透露了 模拟计算，为热声机械换热器的设计提供了参考依据 2 ”。 筑波大学物理研究所的寓永昭等自1 9 7 6 年开始从事热声效应的研究。1 9 9 0 年以来它黧受注重予理论及数菹模数方嚣赣究。缝雷j 对热声理论逡孬了热力学分 析，从而得鼢备秭不可遵因索的影响情况，以便加以兜服来提高效率。另外，他 们还将热声理论应用于脉瞥制冷机的机理分析，主要怒对回热器进行相位分析， 以便更好地瑷鳃捆移机理。蚀们于t 9 9 8 年出版了热声学专著热音响工学 ( ( ( f u n d a r a o n t a l 髓1 e m l o a c o u s t i e s ) 2 6 1 。 二、国内 我嚣兹蒸声鹾究莛步予8 0 年枝寒。 中科院低漱中心肖家牮苜先开展了热声理论研究 2 7 - 3 i l 。他根据围体外壁面与 外热源不同的热接触情况，提出可将热声效应划分为三种情况：等温热声效应、 绝热热声效应秘一般情形鹣热声效应，分别建立了行波声场等温热声效应和绝热 煞声效应豹波溯方程。荠撩密对低p r a n d f l 静流舔，存在一个辐器声导。建立了 回热式制冷机的热声模型，较好地了解了回热式热机的内在不可逆性和各种因素 f | 影响。 嘉衮大学声学臻究繇秘飞等久剩露鬟蘑b 警弱热声不稳定热遴嚣了聚究 3 2 - 3 4 。他们撤据质量、动爨和能量三守慷方程，导出了r i j k e 管热声不稳定性的 声学量之间的关系并探讨丁热声相互作用的非线性关系式以及声波在管末端的 津线性辐射条 串。缝翅还磷完了r i j k e 整热声振荡的 # 线性效痤，发魂菲线性效 威隈制了管内声波振幅的灞长，并豆导致了二次离除 器波静产生。激蓐， | 垒们跌 理论上探讨了热声不稳定性的有源控制闯题。 中科院声学研究所戴檄华1 3 5 1 和南京大学声学研究所王本仁、缨国庆口司等也 鼯煞声毒l 冷熬壤论霸秘理逡嚣了努羲霸奔绥。 最近华中科技大学的零青口7 1 以及中科院低温中心的罗二仓p 8 】对热声热机的 蠼论和机理分析也取得了然进展。 第一章绪论 1 - 2 - 2 热声理论的应用 随着热声理论的研究发展，热声热机研究已经进入到了实用化探索阶段。 一、驻波型热声发动机 1 9 6 2 年，c a t e r 等人发现对s o n d h a u s s 管进行了有效的改进，在s o n d h a u s s 管内加入了平行板叠，大大提高了热声振荡效果，研制出了第一台有显著声功输 出的驻波型热声发动机，揭开了研究和制造热声发动机的序幕。 8 0 年代初，美国洛斯一阿拉莫斯国家实验室开始了热声热机的研制工作，并 提出了许多独到的见解。1 9 9 2 年s w i f t 等人建立的一台驻波型热声发动机，以 1 3 8 m p a 的氦气为工质，在7 k w 的加热功率下，产生了6 3 0 w 的声功，热效率 为9 【3 9 。 日本大学松原洋一、朱绍伟和周淑亮等也在从事热声驱动器的实验研究。他 们研制的驻波型驱动器在输入功率为8 3 3 w 时能输出2 6 w 的声功 4 0 , 4 1 。他们对 起振温度、声波特性和热声振荡的影响因素等进行了分析和实验，着重研究了结 构尺寸( 包括谐振管的结构和丝网尺寸等) 对热声效应以及损失特性的影响情况。 还利用小孔阀和消声器对驱动器的输出特性进行了测量。最近，松原洋一、戴巍 等人在驻波型热声驱动器上引入了挠性轴承支持的固体排出器作为谐振器，使得 驱动器在结构上更加紧凑。该热声驱动器用氦气为工质时，在3 1 5 h z 的共振频 率成功起振【4 2 】。 法国国家科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 等从9 0 年代初开始对热声驱动 器进行研究。他们同我国华中理工大学郭方中等合作在热声驱动器方面开展了研 究。他们建成的热声驱动器原型机以氮气为工质，加热温度为5 0 0 时，压力振 幅可达平均压力的1 0 。系统总长1 9 m ，振荡频率为8 6 h z 。他们还建立了双传 声器法声功测量系统。 华中理工大学邓晓辉等进行了热声谐振管的实验研究，他们采用氮气作工 质，在4 3 0 k 的温差下获得频率为1 0 5 9 h z 、波幅约为平均压力的1 5 的稳定压 力波。 浙江大学制冷与低温工程研究所陈国邦等于1 9 9 6 年在国内首次研制成一台 采用丝网板叠的半波长热声压缩机，如图1 所示，以氮气和氦气为工质时分别获 得1 1 2 和1 0 6 的最大压比，并着重研究了工质种类、谐振管长度、平均充气压 力和加热温度对压缩机性能的影响4 3 。4 5 1 。 第一章绪论 图1驻波型热声压缓捉示意强 美国宾州大学的c h e n 和g a r r e t t 等还建成了一台太阳能驱动的热声驱动器， 系统总长4 0 c m ，共振频率4 2 0 h z 。在太阳能驱动，一湍开口的1 4 波长的模式 下，霹在褰开露端l m 焚测簿1 2 0 分煲鹣声营。 = 、行波型热声发动机 驻渡型热税约运行是基予不可逆数热力学锺环，气体与殛热器填瓣阖豹不可 逆换热导致英热力学效率不离，而行波黧类似于s t i r l i n g 燕力学循环，其过程是 w 逆的，热力转换效率远高于驻波型热机。 c e p e r l e y 尊先意识到斯特林循环中压力波和速度波的相位同行波声波的相位 爨一蘩豹，蘩予这一点，缝予1 9 7 9 年最攀疆鑫了行波热声热辊。然瑟，c e p e r l e y 的实验热机却没有得到放大声功的效果】。 1 9 9 8 年，y a z a k i 等人首先实现了环路行波型热声驱动器，不过它的效率较低 4 7 1 。c e p e r l e y 秘y a z a k i 等都意识到这燕塞工质气薅懿僬声阻藐造成戆，低声疆 抗会导致高声速时大的糟憾损失。此外，他们也没有考虑到几种可熊带来额外损 失的声流，觎括在环路结构中可能发生的“g e d e o n 溉流”以及由边界层效应引 怒的“瑞利流”。 1 9 9 9 年，b a c k h a u s 移s w i f t 设计鞠俸了一台薪鳖程波鳘热声驱动嚣( 或称热 声斯特林发动机) ，这是c e p e r l e y 的设想和现代热声瑷论结合的成聚。该系统经 历了可逆的斯特林循环，因而热力学效率能轻易地超过驻波系统。据b a e k h a u s 秘s w i f t 豢邋转8 删，驱动嚣熊达到0 。3 0 豹热力学效率，逸毙先兹餐秘燕声驱动器 的效率都要高融5 0 以上。我们不妨把窀阿典型的内燃机作一比较，汽油内燃 机的热力学效率为o 2 5 ，而柴油机则为o 4 0 。因而可以说，热声斯特林驱动器的 效率已经可以附它们摆媲荚了。这一发明入选1 9 9 9 年度美国l o 项“r & d 1 0 0 ” 奖，被认受楚一顼开锚性豹磷究或栗。 由于行波溅驱动器取得了极大的成功，人们对它的研究热忱空前高涨。很多 机构开展了遮方面的工作，法国科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 同浙江大 学瓣茨国莛襄窳溪会终妥袋了研究工终，在理瓣b a e k h a u s s w i f t 系绫鹣基麓上设 第一章绪论 计制作了一台行波型热声驱动器，初步的实验结果表明它具有比驻波型更低的起 振温度，更高的效率。 中科院低温中心的罗二仓等也开展了这一方面的研究【5 0 】，他们采用氮气、氦 气及其混合气体迸行了一系列的试验，采用的最高工作压力为2 1 m p a ，最高加 热温度为6 0 0 。c 。他们还研究了热声压缩机的结构参数、操作参数、充气压力和 加热温度对热声发动机性能的影响。 最近浙江大学的邱利民、孙大明等设计并制作了一台大型多功能行波热声发 动机，如图2 所示，该热声发动机长4 5 m ，高1 2 5 米，最大输入功率5 k w ，以 氮气为工质，充气压力为0 9 m p a 时，最大压比达到i 2 l ，振动频率为2 5 h z 5 j 1 1 5 2 1 。 一一 一_ 一 l 一7 图2 大型多功能行波热声发动机 三、热声驱动脉管制冷机 1 9 9 0 年，美国洛斯一阿拉莫斯国家实验室的s w i f t 和美国国家标准技术研究 所的r a d e b a u g h 联合提出采用热声发动机代替传统的机械式压缩机驱动脉管制 冷机。他们所建立的驻波型热声驱动器驱动的脉管制冷机达到9 0 k 的温度【53 1 。 热声驱动脉管制冷机作为一种热能驱动的完全无运动部件的新型制冷方案现已 成为制冷与低温领域的研究热点。 1 9 9 8 年，他们研制的驻热声波驱动脉管制冷样机，可实现燃烧3 0 4 0 的天 然气来液化其余的6 0 7 0 的天然气。 热声行波发动机驱动脉管制冷样机于2 0 0 0 年建成，目前样机每天能制造1 4 0 加仑的液化天然气，日产量5 0 0 加仑的新样机也即将完成。 国内浙江大学在1 9 9 6 年建成一台具有对称结构的驻波型热声发动机的基础 上，于1 9 9 8 年开始进行热声驱动机脉管制冷机匹配工作的研究。系统地研究了 加热功率、加热温度、平均工作压力、热声气库的容积以及工质种类对热声驱动 脉管制冷机性能的影响，针对热声丝网板叠材料和填充率、水冷却器的结构参数、 脉管制冷机的小孔阀和双向进气阀开度等进行了大量的实验优化。该热声驱动脉 第一章绪论 管制冷机在采用长度为8 m 的谐振管时，获得了最低制冷温度9 i 8 k 。随后他们 还进行了行波热声发动机驱动脉管制冷机的研究，其样机已经获得了较低的低温 温度。 中科院低温中心的罗二仓等人对热声驱动的脉管制冷机也进行了理论和实 验研究。 四、电声驱动热声制冷机 1 9 8 6 年h o f l e r 在完成博士论文期间制成了世界上第一台热声制冷机，如图3 所示，在环境温度为2 9 3 k 时，达到了1 9 3 k 的最低制冷温度，制冷量约3 w t 5 ”。 图3h o f l e r 研制的电驱动热声制冷机 此外，海军研究生院的g a r r e t t ( 现在宾州大学) 等开展了旨在提高效率的研 究，尤其是认识到换热器在热声机械中的重要作用，并对此进行了专门的研究， 以促使热声制冷机的进一步实用化。他们于1 9 9 2 年制成了安装在“发现号”航 天飞机上的空间热声制冷机( s p a c et h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t o r , s t a r ) ，其中以 由9 7 h e 和3 a t 组成的混合气体作为工质，蓄热器直径和长度分别为3 8 c m 和7 9 c m 。在频率为4 0 0 h z 的电动扬声器驱动下，在5 0 0 c 温差下获得3 0 w 制 冷量，相对卡诺循环的c 0 p r 为1 6 。1 9 9 5 年，他们又开发成功一台用于冷却 海军舰船上电子系统的热声制冷机( s e t a c ，s h i p b o a r d e l e c t r o n i c s t h e r m o a c o u s t i cc o o l e r ) ，制冷能力是s t a r 的近1 0 0 倍，创造了用热声方法承受 4 1 9 w 有效热负荷的纪录，输入的扬声器声功为2 1 6 w 1 5 ”。 目前他们的工作主要在实用化研究方面。项目包括随g a r r e t t 等人从海军研究 生院转移到宾州大学的s e t a c 的深入测试和改进工作，大振幅驱动的大功率热 声制冷机的研究。此外，他们还致力于家用热声冰箱的研制工作。 荷兰爱因霍温技术大学的z e e g e r s 等近年来也在进行热声制冷研究，他们于 第一拳绪论 2 0 0 0 年研制的电声驱动的热声制冷机获得了近7 0 。c 的濑降。 浙江大学予1 9 9 8 年研制成台热声制冷机并获得了1 2 的温降。近来，邱 铡氏、欢鬻录褰等久叉怼该潮冷辍豹关键郝传翅毫诋滋抉热爨、叛爨磐进罩子了改 避，制冷枫温降提高至i2 7 。c t 矧。 五、高频微型化热声制冷机 在信惠菝零成秀薪技术鼙余静今天，低溢电子学戆邈速发震，德落需要开发 商效可靠的低温制冷技术，低温电子器 牛的微型集成化和高可靠性，与现有的低 温制冷系统的大而笨重和较低的工作可靠性，形成了尖锐的矛盾，严麓妨碍了电 予学瘟曩帮发溪。裹频徽螫纯戆燕声铡冷戳燕辩逮台了遮发聂要求。提亳工 睾 频率，一方面可以提高热祝的热流密度，间时还可班减小热机系统的尺寸，以满 足微型电子器件的要求。 美国国防部高级计划研究局主持的h e r e t i c ( h e nr e m o v a lb y t h e r m o i n t e g m 把dc i r c u i 招) z t 翔，获1 9 9 9 年开始对魄予芯片一体纯辩装瓣畿受 制冷器进行研究，目的是发服用于高性能的电子和光电子器件的制冷技术和设 镛。h e r e t i c 计划中的热声子项目主要研究机构有美鞠诺克维尔科学中心、犹 毯翊立大学、n a s ag 1 e a n n 繇究中心等。 诺克维尔科学中心设计弗试制了一台矮有微结构热声回热器可用于电子芯 片的微型热声制冷机样机。犹他州立大学膨冷中心的研究旨在把热声冷却设备与 微溅电路集成他，他们制出了系统尺寸从4 0 。0 ，8 c m 的嚣种援格的样机，论证了 徽结梅尺寸下静熬声设备与鬃成电路结合在计算辊和毫子设餐中热警理的有效 性。n a s ag l e n n 研究中心采用微机电技术开发的基于微型斯特林热幼力学循环 的制玲设备可以直接应用在需要冷却的微电子等器件表筒，有效地去除电子设备 麓煞受蓑，确爨茭霞吴熬王俦淫麓。 1 - 3 应用前景展望 熟声蒸税缎震爨今天，程遴诠蠢按零方嚣都取褥了缓大瓣逶震。溪逡上已经 从对现象的观察、定性分析，发展到定量的理论计算，为热声热机的威用奠定了 璁论基础。现税热声热机的研究已经步入臌用阶段，各宓验样机获得的成功使得 人爨戆磅究热德嚣益离涨，越来越多豹辩骚瓿擒帮公司投入入力财力开展磺究帮 开发工作。 目前低频大尺寸热机虽然效率不及传统热机，但由于其结构简单，不存在运 动部件，无需润滑，所以相对予传统热机磷富，其造价爨低，维护更方便。此外， 熬声热辊采臻瓣疆凌无污染鹣灌注工震，j 骥庭了繇僳趋势，酝敦它毖海在亵整声 9 第一章绪论 场获得成功。 在信息技术日益发展的今天，电子器件对集成化和高可靠性的要求越来越 高，微型化热声制冷机应用于芯片散热是一个有前途的新方向。可以想象采用微 型热声机械，利用芯片自身产生的热量来驱动微型热声发动机，热声发动机再驱 动热声制冷系统，产生冷量冷却芯片表面温度。 当然，无论是大尺寸的热声热机还是微型集成化的热声制冷机要实现工程应 用，在理论和工程技术上都还有很多问题需要解决，正是这种广泛的前景和巨大 的挑战吸引了诸多科研工作者为之奋斗。 卜4 本文工作 如前所述，热声热机作为一种新型热机，仅依靠振荡气体与固体介质之间的 相互作用实现热与声之间的能量转换，没有机械运动部件，没有滑动摩擦，运行 可靠、寿命长，在空间技术、低温生物、工业制冷等领域有广阔的应用前景。 热声热机发展到今天，在各方面都取得了很大的进展，但是要实现热声热机 的实用化、工程化还有很多问题有待解决。正是在这种情况下，本文开展了行波 热声发动机的小型化研究，为热声发动机的工业化应用作前期准备。本文主要工 作有：对电声驱动的热声制冷机各部件作了优化改；搭建了一台小型行波热声发 动机，对该发动机进行了初步实验研究，并应用网络模型理论，分析了该机的性 能，指出了改进的方向。 第二章热声理论 第二章热声理论 2 1 热声学理论基础 我们知道，热声学是一门交叉学科，它涉及热学、流体学、声学等多门学科 领域，因此要研究热声学首先要了解这些学科的相关知识。 2 一卜1 热声效应的热力学基础【s ， 5 8 】 热声热机中的工作气体往往是一定压力的气体，气体的多变过程热力学关系 式是分析热声热机中工质气体循环的基础。 对于理想气体，过程方程式可归纳为 p v “= c o n s t ( 2 - l - 1 ) 式中指数n 是多变指数，n 取不同值时，过程表现为不同的特性。定压、定 温、绝热和定容这四种典型的热力学过程，可视作多变过程的一种。 当月= 0 时，过程为定压过程； 当n = 1 时，过程为定温过程； 当h = k 时，过程为绝热过程： 当 = m 时，过程为定容过程。 对热声热机的循环分析往往又涉及热力学第一定律和热力学第二定律。 热力学第一定律即能量守恒定律，它表述为：能量可以从一种形式转化为另 一种形式，从一处转移到另一处，但是其总量不变，即不能被创造也不能被消灭。 对于闭系，热力学第定律的数学表达式为： d c = 蛔一d 矽 ( 2 - 1 2 ) 其中，d 占是系统的能量变化，d q 是加入系统的热量，d w 是系统所作的功。 对于开系，热力学第一定律的数学表达式为： d s ：d q d w + ( + 止上) d m ( 2 1 3 ) 。 2 其中h 是每单位质量流体的焓，v 是速度矢量，其它符号的含义同上。 热力学第二定律可表述为：在孤立系统内，一切实际过程( 不可逆过程) 都朝着使系统熵增的方向进行，或在极限情况下( 可逆过程) 维持系统的熵不变， 而任何使系统熵减少的过程都是不可能发生的。熵是系统的一个状态量，其定义 式为： 笙三里垫主翌笙一 嬲：a 一_ o ( 2 _ 1 - 4 ) 对于闭系，热力学第二定律数学表达式为： d s ：孚+ ( 嚣) ，( 舔) o ( 2 - 1 - 5 ) 其中，兰翌是系统与外界发生热交换由热流引起的熵流，( 豳) 。是由于不可逆过 程引起的熵的增加。 对于开系，热力学第二定律的数学表达式为： d s ：榘+ s d m + ( 船) ( 嬲) o ( 2 1 - 6 ) 式中，s 是单位质量流体的熵，其它符号的含义同h 。 2 1 - 2 流体定律 在热声学中不仅用到连续性方程和动量方程，还用到能量方程和熵方程。 连续性方程：挈+ v ( p v ) = 0 ( 2 - l 7 ) 动量方程：p 宴+ ( v v ) v _ 一v p + 胛2 v ( 2 - 1 培 能量方程：晏( 胪+ 丢户1 v 1 2 ) = 坷- 【一v r - - v - 0 + ( p _ i l + 专p l v 2 ) v 1 ( 2 - 1 _ 9 熵方程： 刀( 要+ v v s ) = v k v t - k 孕+ 户殛 一 o ( 2 _ l - 1 0 ) 联合上述的连续性方程、动量方程和能量方程可以推导得到流体传热通用方程： p 7 1 ( 宴+ v v s ) = v k v t + ( 盯v ) v ( 2 - 1 - 1 1 面是9 组菇籍性应力张量。 2 一卜2 理想气体参数 压力：p = p r t 单位质量内能：占= i r i t 气体常数：r ：监，其中通用气体常数乩。= 8 3 1 4 j i ( m o l k ) 声速的平方：a 2 = y r r ( 2 。1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) ( 2 1 1 4 ) ( 2 1 1 5 ) 第= 章热声理论 比热比：y ：鱼 e ” 另有声波长度尺寸： 波长五。多，角频率甜= 2 万，普朗特数盯2 t z c p ，热渗透深度皖； 性渗透深度瓯= 嚣。 2 - 2 热声理论 2 - 2 - 1 交变流动理论 ( 2 1 1 6 ) ，粘 流体在回热器中怒交变流动的，压力波和遴度波同时存衣，互相影响。 1 9 7 3 年k t m 在他的实验报备中首先指出了压差和质量流动之间存在相位 蓑，但熊没有 髻县体分辑。 华中理工大学的李晓静、王进修和华中科技大学的肖家华等人通过实验的方 法疆究蹲络壤糕中戆交交滚淤筑骛，在此蒸瑶主建立了突变浚凌蕊数学模型。在 实验中观察到回热器的波动方程特性：同一截丽上的愿力波和质量流是非正弦 酾，两期往变仡之简肖萌显的稻位差；不简截面上的歪力波、矮萤流的福德秘稻 位各不棚同，相位差随截面触向位援的变化而变化。在理论上提出了填料的分布 毛细管模型，给出了魇力、流速的分布解析式，不仅可以反映压力、流速随轴向 鼷褰豹分蠢，还反映了这零孛波魂的频率特性，鞍接近鄹热器黥实际流动特燧。 中科院理化所的罗二仓等人也直开展